三相逆變器雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真

1、目錄一 摘要 . 1二 引言 .2三 三項(xiàng)逆變器SPWM調(diào)制原理 .2四 SPWM控制方式.34.1 SPWM包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法 .34.2 調(diào)制法 . 4五 用MATLAB下的SIMULINK和SIMPOWERSYSTEMS工具箱構(gòu)建三相橋式逆變器SPWM調(diào)制的仿真模型 .85.1 觸發(fā)脈沖調(diào)制電路（SUBSYSTEM封裝模塊） . 95.2 主電路（SUBSYSTEM1封裝模塊） . 14六 三相橋式逆變器SPWM調(diào)制的仿真波形 . 156.1 示波器B、C、D、E、F仿真的波形圖 . 17七 頻譜分析 . 237.1 對(duì)相電壓UN 、VN 、WN輸出電壓進(jìn)行諧波分析 . 23

2、7.2 對(duì)負(fù)載的線電壓UUV、UVW、UWU的輸出波形進(jìn)行諧波分析 . 257.3 負(fù)載VN的相電壓UN、VN、WN輸出波形進(jìn)行諧波分析 . 27八 結(jié) 語(yǔ) . 28九 參考文獻(xiàn) . 28華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院三相逆變器雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真一 摘要：在電力電子技術(shù)中，PWM（Pulse Width Modulation）控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制，來(lái)等效地獲得所需要波形（含形狀和幅值）。本論文以三相逆變器雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真為例，通過(guò)運(yùn)用了Matlab/Simulink和Power System Block(PSB)電力系統(tǒng)模塊

3、集工具箱仿真環(huán)境，對(duì)電路進(jìn)行建模、計(jì)算和仿真分析。通過(guò)調(diào)節(jié)載波比N，用示波器觀看輸出波形的改變。另外，采用subplot作出相電壓、相電流、線電壓、不同器件所承受的電壓波形以及頻譜圖，并加以分析。ABSTRACT ：In the electric power electronic technology, PWM (Pulse Width Modulation) controls is carries on the modulation to the pulse width the technology.Namely through carries on the modulation to a

4、series of pulse width, comes equivalent to obtain needs the profile (including shape and peak-to-peak value).The present paper take the three-phase invertor bipolarity SPWM modulating technology modulating technique simulation as an example, through has utilized Matlab/Simulink and Power System the

5、Block(PSB) electrical power system module collection toolbox simulationenvironment, carries on the modelling, the computation and the simulation analysis to the electric circuit.Compares N through the adjustment carrier, watches the output wave shape with the oscilloscope the change.Moreover, uses s

6、ubplot to make the voltage waveform as well as the spectrograph which the phase voltage, the interphase current, the line voltage, the different component withstand, and analyzes.關(guān)鍵詞：PWM 三相逆變器 載波比N 示波器 仿真 波形1華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院二 引言PWM控制技術(shù)是在電力電子領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，并對(duì)電力電子技術(shù)產(chǎn)生十分深遠(yuǎn)的影響的一項(xiàng)技術(shù)。近年來(lái)，PWM控制技術(shù)在整流電路中也開(kāi)始應(yīng)用，并顯示了

7、突出的優(yōu)越性。尤其是在逆變電路中應(yīng)用最具有代表性?？梢哉f(shuō)，正是由于PWM控制技術(shù)在逆變電路中的廣泛而成功的應(yīng)用，才奠定了PWM控制技術(shù)在電力電子技術(shù)中的突出地位。以三相逆變器雙極性SPWM調(diào)制技術(shù)的仿真為例，對(duì)PWM更深一步的了解與掌握。三 三項(xiàng)逆變器SPWM調(diào)制原理PWM控制技術(shù)在逆變電路中的應(yīng)用十分廣泛，目前中小功率的逆變電路幾乎都采用了PWM技術(shù)。常用的PWM技術(shù)主要包括：正弦脈寬調(diào)制(SPWM)、選擇諧波調(diào)制（SHEPWM）、電流滯環(huán)調(diào)制（CHPWM）和電壓空間矢量調(diào)制（SVPWM）。在采樣控制理論中有一個(gè)重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同。圖

8、1中各個(gè)形狀的窄脈沖在作用到逆變器中電力電子器件時(shí)，其效果是相同的，正是基于這個(gè)理論，SPWM調(diào)制技術(shù)才孕育而生。重要理論基礎(chǔ)面積等效原理環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相a)矩形脈沖 b)三角脈沖2華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院c)正弦半波脈沖 d)單位脈沖函數(shù)圖1 形狀不同而沖量相同的各種窄脈沖四 SPWM控制方式4.1 SPWM包括單極性和雙極性兩種調(diào)制方法（1）如果在正弦調(diào)制波的半個(gè)周期內(nèi)，三角載波只在正或負(fù)的一種極性范圍內(nèi)變化，所得到的SPWM波也只處于一個(gè)極性的范圍內(nèi)，叫做單極性控制方式。（2）如果在正弦調(diào)制波半個(gè)周期內(nèi)，三角載波在正負(fù)極性之間連續(xù)變化，則SPWM波也是在正負(fù)之間變化，叫做雙

9、極性控制方式。圖2雙極性PWM控制方式其中：載波比載波頻率 fc與調(diào)制信號(hào)頻率 fr 之比N，既 N = fc / fr 調(diào)制度調(diào)制波幅值A(chǔ)r與載波幅值A(chǔ)c之比，即MaAr/Ac3華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院同步調(diào)制N 等于常數(shù)，并在變頻時(shí)使載波和信號(hào)波保持同步。Ø 基本同步調(diào)制方式，fr 變化時(shí)N不變，信號(hào)波一周期內(nèi)輸出脈沖數(shù)固定；Ø 三相電路中公用一個(gè)三角波載波，且取 N 為3的整數(shù)倍，使三相輸出對(duì)稱；Ø 為使一相的PWM波正負(fù)半周鏡對(duì)稱，N應(yīng)取奇數(shù)；Ø fr 很低時(shí)，fc 也很低，由調(diào)制帶來(lái)的諧波不易濾除；Ø fr 很高時(shí)，fc 會(huì)過(guò)高

10、，使開(kāi)關(guān)器件難以承受。異步調(diào)制*載波信號(hào)和調(diào)制信號(hào)不同步的調(diào)制方式。Ø 通常保持 fc 固定不變，當(dāng) fr 變化時(shí)，載波比 N 是變化的；Ø 在信號(hào)波的半周期內(nèi)，PWM波的脈沖個(gè)數(shù)不固定，相位也不固定，正負(fù)半周期的脈沖不對(duì)稱，半周期內(nèi)前后1/4周期的脈沖也不對(duì)稱； Ø 當(dāng) fr 較低時(shí)，N 較大，一周期內(nèi)脈沖數(shù)較多，脈沖不對(duì)稱產(chǎn)生的不利影響都較小；Ø 當(dāng) fr 增高時(shí)，N 減小，一周期內(nèi)的脈沖數(shù)減少，PWM 脈沖不對(duì)稱的影響就變大。4.2 調(diào)制法1）結(jié)合IGBT單相橋式電壓型逆變電路對(duì)調(diào)制法進(jìn)行說(shuō)明工作時(shí)V1和V2通斷互補(bǔ)，V3和V4通斷也互補(bǔ)。以u(píng)o正

11、半周為例，V1通，V2斷，V3和V4交替通斷。負(fù)載電流比電壓滯后，在電壓正半周，電流有一段區(qū)間為正，一段區(qū)間為負(fù)。負(fù)載電流為正的區(qū)間，V1和V4導(dǎo)通時(shí)，uo等于Ud 。V4關(guān)斷時(shí)，負(fù)載電流通過(guò)V1和VD3續(xù)流，uo=0 負(fù)載電流為負(fù)的區(qū)間， V1和V4仍導(dǎo)通，io為負(fù)，實(shí)際上io從VD1和VD4流過(guò)，仍有uo=Ud 。V4關(guān)斷V3開(kāi)通后，io從V3和VD1續(xù)流，uo=0。 uo總可得到Ud和零兩種電平。uo負(fù)半周，讓V2保持通，V1保持?jǐn)?，V3和V4交替通斷，uo可得-Ud和零兩種電平。4華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院圖3 三相橋式PWM型逆變電路2）U 、V、W三相的PWM控制是通常公用一個(gè)

12、三角波Uc，三相的調(diào)制信號(hào)Uru、Urv、Urw依次相差120°。U、V、W各相功率開(kāi)關(guān)器件的控制規(guī)律相同，現(xiàn)以U相為例來(lái)分析。當(dāng)Uru>Uc時(shí)，給橋臂V1以導(dǎo)通的信號(hào)，給下橋臂V4以關(guān)斷的信號(hào)，則U相相對(duì)于直流電源假想中點(diǎn)N的輸出電壓UN=Ud/2。當(dāng)Uru<Uc時(shí)，給V4以導(dǎo)通的信號(hào)，給V1以關(guān)斷的信號(hào)，則UN= -Ud/2。V1和V4的驅(qū)動(dòng)信號(hào)始終時(shí)互補(bǔ)的。當(dāng)給V1（V4）加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1（V4）導(dǎo)通，也可能是二極管VD1（VD4）續(xù)流導(dǎo)通，這要求阻感負(fù)載中電流方向來(lái)決定。根據(jù)計(jì)算式可得，負(fù)載相電壓UN可求得UN=UN-(UN+VN+WN) /3在電壓型逆變

13、電路的PWM控制中，同一相上下兩個(gè)臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)都是互補(bǔ)的。3）雙極性PWM控制方式（三相橋逆變）5華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院?Ou OuOuOu U OU- u Ou22222UN'VN'WN'UVdUN下面以U相為例分析控制規(guī)律：當(dāng)urU>uc時(shí)，給V1導(dǎo)通信號(hào)，給V4關(guān)斷信號(hào)，uUN=Ud/2。 當(dāng)urU<uc時(shí)，給V4導(dǎo)通信號(hào)，給V1關(guān)斷信號(hào)，uUN=-Ud/2。 當(dāng)給V1(V4)加導(dǎo)通信號(hào)時(shí)，可能是V1(V4)導(dǎo)通，也可能是VD1(VD4)導(dǎo)通。uUN、uVN和uWN的PWM波形只有±Ud/2兩種電平。uUV波形可由uUN-uVN得出，

14、當(dāng)1和6通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)3和4通時(shí)，uUV=Ud，當(dāng)1和3或4和6通時(shí)，uUV=0。輸出線電壓PWM波由±Ud和0三種電平構(gòu)成負(fù)載相電壓PWM波由(±2/3)Ud、(±1/3)Ud和0共5種電平組成。 防直通的死區(qū)時(shí)間同一相上下兩臂的驅(qū)動(dòng)信號(hào)互補(bǔ)，為防止上下臂直通而造成短路，留一小段上下臂都施加關(guān)斷信號(hào)的死區(qū)時(shí)間。死區(qū)時(shí)間的長(zhǎng)短主要由開(kāi)關(guān)器件的關(guān)斷時(shí)間決定。死區(qū)時(shí)間會(huì)給輸出的PWM波帶來(lái)影響，使其稍稍偏離正弦波。6華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院3.3）特定諧波消去法 (Selected Harmonic Elimination PWMSHEPWM)這是計(jì)算法

15、中一種較有代表性的方法。輸出電壓半周期內(nèi)，器件通、斷各3次（不包括0和），共6個(gè)開(kāi)關(guān)時(shí)刻可控。為減少諧波并簡(jiǎn)化控制，要盡量使波形對(duì)稱。ouUU- 圖6-9 特定諧波消去法的輸出PWM波7華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院五 用matlab下的simulink和simpowersystems工具箱構(gòu)建三相橋式逆變器SPWM調(diào)制的仿真模型8華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院5.1 觸發(fā)脈沖調(diào)制電路（subsystem封裝模塊）脈沖電路參數(shù)設(shè)置為：載波比N=9-21，取N=12,Ma=0.8-0.95,取Ma=0.8，單相調(diào)制信號(hào)波U, V, W依次相差120°電角度。具體如下圖。 9華東交通大學(xué)

16、電氣與電子工程學(xué)院10華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院11華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院脈沖電路中示波器scope的波形：subplot(3,1,1);plot(g.time,squeeze(g.signals(1).values); title('Ma²波形');subplot(3,1,2);plot(g.time,squeeze(g.signals(2).values); title('正弦Ma*U²波波形');subplot(3,1,3);plot(g.time,squeeze(g.signals(3).values); title(&#

17、39;三角波波形');12華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院Ma波形正弦波Ma*U波形三角波波形13華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院5.2 主電路（subsystem1封裝模塊）主電路仿真參數(shù)設(shè)置為：E=100-300V; h=0.0001s，取E1=100V，E2=100V。故有E=E1+E2=200V。電阻電感選用默認(rèn)值，對(duì)三相橋式逆變器SPWM調(diào)制的進(jìn)行仿真。14華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院六 三相橋式逆變器SPWM調(diào)制的仿真波形 示波器Asubplot(1,1,1);plot(a.time,a.signals(1).values);title('三角載波與調(diào)制信號(hào)波波形&#

18、39;)載波比N=1215華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院載波比N=2016華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院6.1 示波器B、C、D、E、F仿真的波形圖當(dāng)N=12，E=200（E1+E2）時(shí)的波形圖示波器B：subplot(6,1,1);plot(b.time,squeeze(b.signals(1).values); title('觸發(fā)脈沖out2電壓波形')grid on;subplot(6,1,2);plot(b.time,squeeze(b.signals(2).values); title('觸發(fā)脈沖out3電壓波形')grid on;subplot(6,

19、1,3);plot(b.time,squeeze(b.signals(3).values); title('觸發(fā)脈沖out4電壓波形')grid on;subplot(6,1,4);plot(b.time,squeeze(b.signals(4).values); title('觸發(fā)脈沖out5電壓波形')grid on;subplot(6,1,5);plot(b.time,squeeze(b.signals(5).values); title('觸發(fā)脈沖out6電壓波形')grid on;subplot(6,1,6);plot(b.time,s

20、queeze(b.signals(6).values); title('觸發(fā)脈沖out7電壓波形')grid on;波形如下：17華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院示波器Csubplot(6,1,1);plot(c.time,c.signals(1).values); subplot(6,1,2);plot(c.time,c.signals(2).values); subplot(6,1,3);plot(c.time,c.signals(3).values); subplot(6,1,4);plot(c.time,c.signals(4).values); subplot(6,1,

21、5);plot(c.time,c.signals(5).values);18華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院subplot(6,1,6);plot(c.time,c.signals(6).values);波形如下：19華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院示波器Dsubplot(3,1,1);plot(d.time,d.signals(1).values);axis(0.04,0.08,-150,150);title('相電壓UN電壓波形');subplot(3,1,2);plot(d.time,d.signals(2).values);axis(0.04,0.08,-150,150);

22、title('相電壓VN電壓波形');subplot(3,1,3);plot(d.time,d.signals(3).values);axis(0.04,0.08,-150,150);title('相電壓WN電壓波形');波形如下：相電壓UN電壓波形100-100相電壓VN電壓波形100-100相電壓WN電壓波形100-10020華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院示波器Esubplot(3,1,1);plot(e.time,squeeze(e.signals(1).values);title('線電壓UN電壓波形')grid on;subplot(3

23、,1,2);plot(e.time,squeeze(e.signals(2).values);title('線電壓VN電壓波形')grid on;subplot(3,1,3);plot(e.time,squeeze(e.signals(3).values);title('線電壓WN電壓波形')grid on;波形如下：線電壓UN電壓波形線電壓VN電壓波形線電壓WN電壓波形21華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院示波器Fsubplot(3,1,1);plot(f.time,squeeze(f.signals(1).values); axis(0.02,0.06,-150

24、,150);subplot(3,1,2);plot(f.time,squeeze(f.signals(2).values); axis(0.02,0.06,-150,150);subplot(3,1,3);plot(f.time,squeeze(f.signals(3).values); axis(0.02,0.06,-150,150);波形如下電阻電感兩端的電壓與電流華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院七 頻譜分析7.1 對(duì)相電壓UN 、VN 、WN輸出電壓進(jìn)行諧波分析23華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院相電壓UN 、VN和WN的三者諧波情況基本一樣,其中： Input1（UN）：Fundament

25、al（50HZ）=63.37,THD=196.19% Input2（VN）：Fundamental（50HZ）=60.59,THD=207.49% Input3（WN）：Fundamental（50HZ）=60.81,THD=206.84% 24華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院7.2 對(duì)負(fù)載的線電壓Uuv、Uvw、Uwu的輸出波形進(jìn)行諧波分析25華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院Input1（Uuv）：Fundamental（50HZ）=106.5,THD=115.53% Input2（Uvw）：Fundamental（50HZ）=108.2,THD=112.33% Input3（Uwu）：Fundamental（50HZ）=108.2,THD=112.33% 26華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院7.3 負(fù)載VN的相電壓UN、VN、WN輸出波形進(jìn)行諧波分析27華東交通大學(xué)電氣與電子工程學(xué)院Input1（UN）：Fundamental（50HZ）=61.11,THD=116.81%I